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EP2199753A2 - Fluid cylinder with a microwave measuring assembly and method for recording at least one parameter - Google Patents

Fluid cylinder with a microwave measuring assembly and method for recording at least one parameter Download PDF

Info

Publication number
EP2199753A2
EP2199753A2 EP09015480A EP09015480A EP2199753A2 EP 2199753 A2 EP2199753 A2 EP 2199753A2 EP 09015480 A EP09015480 A EP 09015480A EP 09015480 A EP09015480 A EP 09015480A EP 2199753 A2 EP2199753 A2 EP 2199753A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signals
cylinder according
measuring device
coupling
fluidic cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09015480A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2199753A3 (en
Inventor
Lothar Geisbusch
Marcus Maier
Thomas Reininger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Festo SE and Co KG
Original Assignee
Festo SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Festo SE and Co KG filed Critical Festo SE and Co KG
Publication of EP2199753A2 publication Critical patent/EP2199753A2/en
Publication of EP2199753A3 publication Critical patent/EP2199753A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/48Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using wave or particle radiation means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2869Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using electromagnetic radiation, e.g. radar or microwaves

Definitions

  • the invention relates to a fluidic cylinder having a microwave measuring arrangement for detecting at least one parameter having the features of the preamble of claim 1.
  • Such a microwave measuring arrangement is for example from the DE 10205904 A1 , of the US-A 4588953 or the EP 1040316 B1 is known and used to capture parameters such as the piston position or the piston speed.
  • RF signals are fed from an RF generator to the antenna or microwave coupling probe and from there back to an evaluation via electrical conductors.
  • the propagation speed of the RF signals on HF lines exerts an influence on the measurement result, that is, if the electrical properties of the lines change, the measurement result is falsified.
  • these RF lines as printed conductors on a printed circuit board, these can change, in particular depending on moisture, in such a way that the dielectric properties are influenced. This leads to runtime errors of the RF signals and as a result to corrupted measurement results.
  • a position measuring device for determining the position of a test object in which microwaves are coupled out with the aid of an antenna body into a waveguide and coupled from the waveguide into the antenna body.
  • the antenna body is made of a dielectric material, for example of a plastic, and isolates two pole faces from each other.
  • the antenna body has a plurality of resonant circuits on an end region facing the waveguide and at a maximum distance from the microwave generator, which can reflect a fraction of the microwaves emitted by the microwave generator almost loss-free.
  • a microwave generated by the microwave generator is changed in its frequency until resonance occurs, so that based on the detected resonance frequency, the current dielectric constant of the antenna body can be determined.
  • a transit time measuring device for detecting the moisture and / or propagation speed of the RF signals is arranged on the circuit board provided with the HF lines formed as strip conductors, by the changes of the propagation speed of the Detected RF signals as a result of changes in the dielectric properties and an evaluation can be supplied. Since this transit time measuring device is arranged on the same board, it is assumed that the entire board, for example, changes in all places in the same way as a function of moisture. The correction values detected by the transit time measuring device can then be used to correct the parameter measured values, that is to say, for example, position measured values or speed measured values. As a result, runtime errors can be compensated or minimized and exact measurement results can be achieved even with changing dielectric properties of the board, for example as a function of moisture.
  • the evaluation device expediently has a phase and amplitude comparator and an associated microcontroller for evaluating the detected phase differences or amplitude ratios.
  • phase and amplitude comparator is advantageously formed by interconnect elements and is designed in particular as a six-port circuit (six-port device).
  • the determined correction values for propagation time changes thus have a direct effect on the evaluation signals of the phase and amplitude comparator.
  • this consists of three 90-degree hybrid couplers, a Wilkinson divider and a directional coupler, wherein power and / or level measuring devices for thereby formed, in each case in steps of 90 ° to each other staggered signals of the coupling probe running and are provided by the returning RF signals, which are connected to the microcontroller for evaluation.
  • the 90-degree hybrid couplers preferably consist of four annular interconnected conductor track pieces each having a length of ⁇ / 4. Such an arrangement can be produced simply and inexpensively as a simple printed conductor structure.
  • a directional coupler for decoupling a part of the outgoing and a part of the returning from the microwave coupling probe RF signals is arranged in an advantageous manner. Even such a directional coupler can be realized in a simple and cost-effective manner by interconnect elements.
  • a delay device in one of the two interconnects connecting the directional coupler to the phase and amplitude comparators, a delay device likewise designed as a conductor path for compensating the length of the interconnect between the directional coupler and the coupling probe for the two RF signals to be compared is arranged.
  • This delay device can serve, for example, as a coarse alignment, while the transit time measuring device is particularly suitable for fine compaction, but also for sole compensation.
  • the transit time measuring device likewise consists advantageously of conductor track pieces, in particular of a measuring strip conductor piece, which has a coupling device for HF signals which is preferably connected to the HF generator Outcoupling device which is connected to a resonance measuring device.
  • the measuring conductor piece preferably has a length of ⁇ / 2.
  • the resonance measuring device advantageously has a level measuring device connected to the microcontroller, and the microcontroller has means for stepwise frequency change of the HF generator in order to be able to detect the respective resonance frequency.
  • shifts of the resonant frequency can be detected, which is a measure of the changes in the dielectric properties of the measuring strip conductor, from which in turn the propagation speed or transit time of the RF signals can be derived on the board.
  • a further level measuring device connected to the microcontroller is provided for detecting the RF power fed into the transit time measuring device. By comparing the values of the two level measuring devices, further information about the exact delay compensation can be obtained.
  • a conductor path connecting the RF generator to the transit time measuring device expediently has a directional coupler for coupling out HF signals conducted to the microwave coupling probe.
  • the output signal of the HF generator is expediently passed through a harmonic filter.
  • FIGS. 1 and 2 illustrated embodiment are on a board 10, an RF generator 11 (high-frequency generator for microwave frequencies), a harmonic filter 12, a transit time measuring device 13, a directional coupler 14, a six-port circuit 9 (six-port device) and a microcontroller 18, the six-port circuit 9 consisting of a phase and amplitude comparator 17, a delay line formed as a delay device 16 and a further directional coupler 15.
  • the harmonic filter 12 is not shown for simplicity. It serves to filter out interfering signals, whereby in a simpler embodiment it can also be dispensed with or else other interference suppression measures are provided.
  • the microcontroller 18 is on as real version shown board 10 according to FIG. 2 not recognizable. It can be arranged for example on the back of this board or externally.
  • All line connections between the components are designed as strip conductors.
  • the HF generator 11 is connected to the transit time measuring device 13, which will be explained in more detail later.
  • a portion of the RF signals is coupled via the first directional coupler 14 in a leading to serving as an antenna microwave coupling probe 19 line.
  • This line has at one end a connected to ground terminating resistor 20.
  • a portion of the RF signals is then decoupled on the way to the microwave coupling probe 19 by means of the second directional coupler 15 and fed via the delay means 16 to the phase and amplitude comparator 17.
  • the microwave coupling probe 19 is arranged on an end region of a fluidic cylinder 21, which is usually designed as a cylinder cover, and is integrated in this cylinder cover, not shown in detail.
  • a piston 23 provided with a piston 23 is slidably guided. It can also be a rodless piston.
  • a microwave waveguide wave is coupled into the interior of the cylinder 21, which is reflected on the piston 23 and resumed by the microwave coupling probe 19, which then serves as a receiving antenna.
  • the reflected and detected again by the microwave coupling probe 19 hollow shaft is returned as an RF signal again and partially coupled out by means of the second directional coupler 15 and fed to the phase and amplitude comparator 17.
  • phase and amplitude comparator 17 There is a phase or amplitude comparison between the running and returning RF signals instead, these measurements can be evaluated as a measure of the position of the piston 23 and its speed or acceleration. The measurement results are therefore supplied to the microcontroller 18.
  • the evaluation of the phase difference for position determination of the piston 23 by means of a phase comparator is also described in detail in the prior art mentioned above.
  • the leading to the microwave coupling probe 19 line or conductor is connected to a contact surface 24 which is connected in a manner not shown via a pin or wire to the microwave coupling probe 19.
  • This contact surface 24 is surrounded by a ground surface 25 which is connected to the metallic cylinder 21.
  • Such six-port circuits containing a phase and amplitude comparator which are often referred to as six-port devices in the literature, are for example out IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 12, pages 2414-2417 , or Vol. 47, no. 12, pages 2621-2624 , or Vol. MTT-23, no. 12, pages 978-984 , or Vol. MTT-25, no. 12, pages 1075-1083 , known and there in their function and mode of action, in particular with respect to the phase and amplitude comparison described in more detail. A detailed description of the mode of action can therefore be dispensed with here.
  • the six-port circuit 9 used in the exemplary embodiment consists of three 90-degree hybrid couplers 30-32, a Wilkinson divider 33 and the second directional coupler 15.
  • Each 90-degree hybrid coupler 30-32 consists essentially of four ring-like interconnects each having a length of substantially ⁇ / 4.
  • a 90 degree hybrid coupler 30-32 splits an input signal into two output signals having equal amplitudes but whose phases have a 90 degree difference. A portion of the returning from the microwave coupling probe 19 signals is thereby fed via the Wilkinson divider 33, and a portion of the leading to the microwave coupling probe 19 signals is fed via the average 90grad hybrid coupler 31.
  • At the second input of a grounded resistance 34 is connected.
  • the signals to be compared with one another via the Wilkinson divider 33 and the 90-degree hybrid coupler 31 are then supplied to the two remaining 90-degree hybrid couplers 30 and 32 for additive superimposition, to whose outputs the detector circuits 26-29 are connected are.
  • the superposition by the 90-degree hybrid couplers 30 and 32 is done so that at their outputs parts of the coupling probe 19 back and are superimposed by this returning signals, this superimposition takes place at the different outputs of the 90-degree hybrid coupler 30 and 32 but with different phase differences. These phase differences are preferably 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees and 270 degrees.
  • the amplitude at the outputs of the 90 degree hybrid couplers 30 and 32 is essentially determined by the phase difference resulting in constructive or destructive interference.
  • the serving as a level or power detector detector circuits 26-29 lead to the microcontroller 18 at different frequencies measured levels, in which case the microprocessor can be closed by an algorithm on the piston position or piston speed, for example, in an intermediate step, the phase of the reflection factor on Antenna Cylinder System is calculated. An immediate phase measurement, as it takes place for example in known mixers, is no longer necessary. Amplifier modules can be omitted.
  • the six-port circuit is a substantially linear element, which operates level-independent in contrast to the mixer.
  • the circuit elements in the principle of the six-port circuit can be adapted to RF technically easier reflection, which leads to a better signal quality. Due to the simple design in printed circuit board technology, less stringent requirements are placed on printed circuit board technology, and a cheaper realization is possible.
  • a phase and amplitude comparator which is constructed on a printed circuit board as an alternative to a six-port circuit with the aid of semiconductor diodes and line structures, also changes its measurement result as a function of the moisture content of the printed circuit board.
  • the measurement errors numerically much more difficult to handle, since the reflection factors of such semiconductor mixer of the oscillator amplitude Depending on the humidity and depending on the different frequencies, the products may spread differently and react with multiple reflections, thereby additionally influencing the measurement result.
  • the six-port reflectometer or with the six-port circuit there are no additional frequencies due to the linearity, which would have to be taken into account in the compensation.
  • the reflection factors are constant over different amplitude values, unlike a semiconductor mixer, i. Compensation does not need to take into account the oscillator output level.
  • the delay device 16 is connected as a compensation device in the supply of the leading signal to the phase and amplitude comparator 17, in case of changes in the dielectric Properties to achieve a runtime compensation. If the dielectric behavior of the line is changed by moisture, the duration of this line changes. As a result, the phase and amplitude comparator sees a different phase angle of the reflection factor.
  • the delay device 16 is exposed to the same humidity influences as the line between the directional coupler and microwave coupling probe, that is, the propagation speed on this line changes in the same manner as that on the line between the microwave coupling probe 19 and the directional coupler 15 Signals in each case twice over the line between directional coupler 15 and microwave coupling probe 19, namely back and forth.
  • length of the delay device 16 or delay line can be achieved that cancel the effects of moisture.
  • this moisture compensation by the delay 16 has its limits. Although it can be achieved that occasionally the moisture compensation succeeds or succeeds on average, but can not be used for all possible due to the imperfection of the line circuits, as used in the phase and amplitude comparator 17 and the six-port circuit 9 Reflection factors an ideal compensation can be achieved, that is, the delay means 16 can only represent a coarse compensation. The remaining moisture dependencies and dependencies of geometry changes are too complicated to be corrected by simple circuit measures. For this purpose, however, the microcontroller must have information about the current runtime behavior of the printed conductors. He gets this via the transit time measuring device 13.
  • the HF signals fed into the transit time measuring device 13 by the HF generator 11 are fed in part via a first directional coupler 35 into a measuring line 36 and partially decoupled from the latter via a further directional coupler 37 and by a detector serving as a level measuring device Circuit 38 detected.
  • the measuring line 36 has a length of ⁇ / 2.
  • the HF generator 11 can generate different output frequencies controlled by the microcontroller 18. According to FIG. 4 successively different, gradually changing measuring frequencies of the transit time measuring device 13 are supplied. At a frequency with the wavelength ⁇ , the highest level U R is transmitted as a result of the resonance, the resonance frequency being the frequency f 2 R.
  • the resonance frequency shifts toward the frequency f1 R , for example.
  • the shift of the resonant frequency is a measure of changes in the transit time, with the evaluation in the microcontroller 18 takes place. This information is then used to compensate for corresponding propagation time changes in the other lines and calculated.
  • a further detector circuit 39 which is likewise connected to the microcontroller 18, is connected directly to the line leading to the transit time measuring device 13. By level comparison of the two detector circuits 38, 39 can be calculated even more accurate compensation for the duration.
  • couplers instead of directional couplers, other couplers can also be used for decoupling parts of the respective signal, such as Lange couplers, Rat Race couplers and Wilkinson dividers.
  • structural design of the six-port circuit may also differ from the embodiment and be executed, for example, according to the specified prior art.
  • the invention thus also relates to a method for detecting at least one parameter in a fluidic cylinder with the aid of a microwave measuring arrangement
  • the microwave xoppelsonde (19) by an RF generator (11 ) is supplied with RF signals and the at least one parameter is detected by comparing the microwave coupling probe (19) forwarded outgoing RF signals with the generated from the reflected waveguide wave return RF signals by means of an evaluation, wherein parts of the leading and returning RF signals using at least e Ines coupling element (15) are coupled out and a phase and amplitude comparison by additive superimposition of the decoupled parts of the leading and returning RF signals with subsequent level measurement is carried out, and that the parameters

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Abstract

The cylinder (21) has a high frequency generator (11) supplying high-frequency signals to a microwave-coupling probe (19). An evaluation device detects a parameter by comparing the signals from the probe and signals produced from a waveguide shaft. A part of the evaluation device and high frequency lines are arranged on a board (10), where the lines are formed as conductor paths. A run time- measuring device (13) is arranged on the board for measuring board-humidity and propagation speed of the signals. The evaluation device corrects the parameter based on signals of the measuring device.

Description

Die Erfindung betrifft einen fluidischen Zylinder mit einer Mikrowellen-Messanordnung zur Erfassung wenigstens eines Parameters mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a fluidic cylinder having a microwave measuring arrangement for detecting at least one parameter having the features of the preamble of claim 1.

Eine derartige Mikrowellen-Messanordnung ist beispielsweise aus der DE 10205904 A1 , der US-A 4588953 oder der EP 1040316 B1 bekannt und dient zur Erfassung von Parametern, wie der Kolbenposition oder der Kolbengeschwindigkeit. HF-Signale werden von einem HF-Generator zur Antenne beziehungsweise Mikrowellen-Koppelsonde und von dort zurück zu einer Auswerteeinrichtung über elektrische Leiter geführt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der HF-Signale auf HF-Leitungen übt einen Einfluss auf das Messergebnis aus, das heißt, wenn sich die elektrischen Eigenschaften der Leitungen verändern, so wird das Messergebnis verfälscht. Bei einer Ausführung dieser HF-Leitungen als Leiterbahnen auf einer Leiterplatte können sich diese insbesondere in Abhängigkeit von Feuchtigkeit inder Weise verändern, dass die dielektrischen Eigenschaften beeinflusst werden. Dies führt zu Laufzeitfehlern der HF-Signale und als Folge davon zu verfälschten Messergebnissen.Such a microwave measuring arrangement is for example from the DE 10205904 A1 , of the US-A 4588953 or the EP 1040316 B1 is known and used to capture parameters such as the piston position or the piston speed. RF signals are fed from an RF generator to the antenna or microwave coupling probe and from there back to an evaluation via electrical conductors. The propagation speed of the RF signals on HF lines exerts an influence on the measurement result, that is, if the electrical properties of the lines change, the measurement result is falsified. In one embodiment of these RF lines as printed conductors on a printed circuit board, these can change, in particular depending on moisture, in such a way that the dielectric properties are influenced. This leads to runtime errors of the RF signals and as a result to corrupted measurement results.

Aus der DE 10 2006 052 790 ist eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines Messobjekts bekannt, bei der Mikrowellen mit Hilfe eines Antennenkörpers in einen Hohlleiter ausgekoppelt und aus dem Hohlleiter in den Antennenkörper eingekoppelt werden. Der Antennenkörper besteht aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus einem Kunststoff, und isoliert zwei Polflächen voneinander. Um die dielektrischen Eigenschaften des Antennenkörpers ermitteln und bei der Auswertung des Positionssignals mit einbeziehen zu können weist der Antennenkörper an einem dem Hohlleiter zugewandten und maximal vom Mikrowellengenerator entfernten Endbereich mehrere Schwingkreise auf, die einen Bruchteil der vom Mikrowellengenerator ausgesendeten Mikrowellen nahezu verlustfrei reflektieren können. Zur Ermittlung der feuchtigkeitsabhängigen Dielektrizitätszahl des Antennenkörpers wird eine vom Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowelle in ihrer Frequenz so lange verändert, bis Resonanz auftritt, so dass anhand der aufgefundenen Resonanzfrequenz die aktuelle Dielektrizitätszahl der Antennenkörpers ermittelt werden kann.From the DE 10 2006 052 790 a position measuring device for determining the position of a test object is known in which microwaves are coupled out with the aid of an antenna body into a waveguide and coupled from the waveguide into the antenna body. The antenna body is made of a dielectric material, for example of a plastic, and isolates two pole faces from each other. In order to be able to determine the dielectric properties of the antenna body and to include them in the evaluation of the position signal, the antenna body has a plurality of resonant circuits on an end region facing the waveguide and at a maximum distance from the microwave generator, which can reflect a fraction of the microwaves emitted by the microwave generator almost loss-free. To determine the moisture-dependent dielectric constant of the antenna body, a microwave generated by the microwave generator is changed in its frequency until resonance occurs, so that based on the detected resonance frequency, the current dielectric constant of the antenna body can be determined.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, Laufzeitfehler infolge von Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften zu kompensieren oder wenigstens zu minimieren, um exaktere Messergebnisse zu erzielen.It is therefore an object of the invention to compensate for or at least minimize run-time errors due to changes in the dielectric properties in order to obtain more accurate measurement results.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen fluidischen Zylinder mit einer Mikrowellen-Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a fluidic cylinder with a microwave measuring device having the features of claim 1.

In vorteilhafter Weise wird auf der mit den als Leiterbahnen ausgebildeten HF-Leitungen versehenen Platine eine Laufzeit-Messeinrichtung zur Erfassung der Feuchtigkeit und/oder Ausbreitungsgeschwindigkeit der HF-Signale angeordnet, durch die Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der HF-Signale als Folge von Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften erfasst und einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden können. Da diese Laufzeit-Nesseinrichtung auf derselben Platine angeordnet ist, wird davon ausgegangen, dass sich die gesamte Platine beispielsweise in Abhängigkeit von Feuchtigkeit an allen Stellen in gleicher Weise verändert. Die durch die Laufzeit-Messeinrichtung erfassten Korrekturwerte können dann zur Korrektur der Parameter-Messwerte, also beispielsweise Positions-Messwerte oder Geschwindigkeits-Messwerte, verwendet werden. Hierdurch können Laufzeitfehler kompensiert bzw. minimiert und exakte Messergebnisse auch bei sich verändernden dielektrischen Eigenschaften der Platine, beispielsweise in Abhängigkeit von Feuchtigkeit, erreicht werden.In an advantageous manner, a transit time measuring device for detecting the moisture and / or propagation speed of the RF signals is arranged on the circuit board provided with the HF lines formed as strip conductors, by the changes of the propagation speed of the Detected RF signals as a result of changes in the dielectric properties and an evaluation can be supplied. Since this transit time measuring device is arranged on the same board, it is assumed that the entire board, for example, changes in all places in the same way as a function of moisture. The correction values detected by the transit time measuring device can then be used to correct the parameter measured values, that is to say, for example, position measured values or speed measured values. As a result, runtime errors can be compensated or minimized and exact measurement results can be achieved even with changing dielectric properties of the board, for example as a function of moisture.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Anordnung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the claim 1 arrangement are possible.

Die Auswerteeinrichtung besitzt zweckmäßigerweise einen Phasen- und Amplitudenvergleicher und einen damit verbundenen Mikrocontroller zur Auswertung der erfassten Phasendifferenzen beziehungsweise Amplitudenverhältnisse.The evaluation device expediently has a phase and amplitude comparator and an associated microcontroller for evaluating the detected phase differences or amplitude ratios.

Der auf der Platine angeordnete Phasen- und Amplitudenvergleicher wird in vorteilhafter Weise durch Leiterbahnenelemente gebildet und ist insbesondere als Six-Port-Schaltung (Six-Port-Device) ausgebildet. Die ermittelten Korrekturwerte für Laufzeitveränderungen wirken sich somit direkt auf die Auswertesignale des Phasen- und Amplitudenvergleichers aus.The arranged on the board phase and amplitude comparator is advantageously formed by interconnect elements and is designed in particular as a six-port circuit (six-port device). The determined correction values for propagation time changes thus have a direct effect on the evaluation signals of the phase and amplitude comparator.

In einer zweckmäßigen konstruktiven Ausgestaltung der Six-Port-Schaltung besteht diese aus drei 90grad-Hybrid-Kopplern, einem Wilkinson-Teiler und einem Richtkoppler, wobei Leistungs- und/oder Pegelmesseinrichtungen für dadurch gebildete, um jeweils in Schritten von 90° zueinander versetzte Signale der zur Koppelsonde hinlaufenden und von dieser rücklaufenden HF-Signale vorgesehen sind, die mit dem Mikrocontroller zur Auswertung verbunden sind. Die 90grad-Hybrid-Koppler bestehen dabei bevorzugt aus jeweils vier ringförmig aneinander geschalteten Leiterbahnstücken, die jeweils eine Länge von λ/4 weisen. Eine solche Anordnung lässt sich einfach und kostengünstig als einfache Leiterbahnstruktur herstellen.In an expedient structural embodiment of the six-port circuit, this consists of three 90-degree hybrid couplers, a Wilkinson divider and a directional coupler, wherein power and / or level measuring devices for thereby formed, in each case in steps of 90 ° to each other staggered signals of the coupling probe running and are provided by the returning RF signals, which are connected to the microcontroller for evaluation. The 90-degree hybrid couplers preferably consist of four annular interconnected conductor track pieces each having a length of λ / 4. Such an arrangement can be produced simply and inexpensively as a simple printed conductor structure.

In der zur Mikrowellen-Koppelsonde führenden Leiterbahn für die HF-Signale ist in vorteilhafter Weise ein Richtkoppler zur Auskopplung eines Teils der hinlaufenden und eines Teils der von der Mikrowellen-Koppelsonde rücklaufenden HF-Signale angeordnet. Auch ein solcher Richtkoppler lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise durch Leiterbahnelemente realisieren.In the leading to the microwave coupling probe conductor for the RF signals, a directional coupler for decoupling a part of the outgoing and a part of the returning from the microwave coupling probe RF signals is arranged in an advantageous manner. Even such a directional coupler can be realized in a simple and cost-effective manner by interconnect elements.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in einer der beiden den Richtkoppler mit dem Phasen- und Amplitudenvergleicher verbindenden Leiterbahnen eine ebenfalls als Leiterbahn ausgebildete Verzögerungseinrichtung zum Ausgleich der Länge der Leiterbahn zwischen Richtkoppler und Koppelsonde für die beiden zu vergleichenden HF-Signale angeordnet. Dies ist eine ergänzende Maßnahme zum Ausgleich von Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften der Leiterbahnen, beispielsweise durch Feuchtigkeitseinwirkung. Diese Verzögerungseinrichtung kann beispielsweise als Grobausgleich dienen, während die Laufzeit-Messeinrichtung zur Feinkompen-sation, jedoch auch zur alleinigen Kompensation besonders geeignet ist.In a further embodiment of the invention, in one of the two interconnects connecting the directional coupler to the phase and amplitude comparators, a delay device likewise designed as a conductor path for compensating the length of the interconnect between the directional coupler and the coupling probe for the two RF signals to be compared is arranged. This is a complementary measure to compensate for changes in the dielectric properties of the tracks, for example by exposure to moisture. This delay device can serve, for example, as a coarse alignment, while the transit time measuring device is particularly suitable for fine compaction, but also for sole compensation.

Die Laufzeit-Messeinrichtung besteht ebenfalls in vorteilhafter Weise aus Leiterbahnstücken, insbesondere aus einem Mess-Leiterbahnstück, das eine vorzugsweise mit dem HF-Generator verbundene Einkopplungseinrichtung für HF-Signale und eine Auskopplungseinrichtung aufweist, die mit einer Resonanz-Messeinrichtung verbunden ist.The transit time measuring device likewise consists advantageously of conductor track pieces, in particular of a measuring strip conductor piece, which has a coupling device for HF signals which is preferably connected to the HF generator Outcoupling device which is connected to a resonance measuring device.

Das Mess-Leiterbahnstück weist bevorzugt eine Länge von λ/2 auf. Dabei besitzt die Resonanz-Messeinrichtung in vorteilhafter Weise eine mit dem Mikrocontroller verbundene Pegelmesseinrichtung, und der Mikrocontroller besitzt Mittel zur stufenweisen Frequenzveränderung des HF-Generators, um die jeweilige Resonanzfrequenz erfassen zu können. Dadurch lassen sich Verschiebungen der Resonanzfrequenz erfassen, die ein Maß für die Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften des Mess-Leiterbahnstücks ist, von dem wiederum die Ausbreitungsgeschwindigkeit beziehungsweise Laufzeit der HF-Signale auf der Platine abgeleitet werden kann.The measuring conductor piece preferably has a length of λ / 2. In this case, the resonance measuring device advantageously has a level measuring device connected to the microcontroller, and the microcontroller has means for stepwise frequency change of the HF generator in order to be able to detect the respective resonance frequency. As a result, shifts of the resonant frequency can be detected, which is a measure of the changes in the dielectric properties of the measuring strip conductor, from which in turn the propagation speed or transit time of the RF signals can be derived on the board.

Eine mit dem Mikrocontroller verbundene weitere Pegelmesseinrichtung ist zur Erfassung der in die Laufzeit-Messeinrichtung eingespeisten HF-Leistung vorgesehen. Durch Vergleich der Werte der beiden Pegelmesseinrichtungen können weitere Informationen zur exakten Laufzeitkompensation gewonnen werden.A further level measuring device connected to the microcontroller is provided for detecting the RF power fed into the transit time measuring device. By comparing the values of the two level measuring devices, further information about the exact delay compensation can be obtained.

Eine den HF-Generator mit der Laufzeit-Messeinrichtung verbindende Leiterbahn besitzt zweckmäßigerweise einen Richtkoppler zur Auskopplung von zur Mikrowellen-Koppelsonde geführten HF-Signalen.A conductor path connecting the RF generator to the transit time measuring device expediently has a directional coupler for coupling out HF signals conducted to the microwave coupling probe.

Zur Unterdrückung von unerwünschten Störungen ist das Ausgangssignal des HF-Generators zweckmäßigerweise über ein Oberwellen-Filter geführt.To suppress undesired interference, the output signal of the HF generator is expediently passed through a harmonic filter.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
ein Blockschaltbild einer auf einer Platine angeordneten Auswerteeinrichtung mit Laufzeit-Mess-einrichtung und HF-Generator, die mit einer Mikrowellen-Koppelsonde einer an einem fluidischen Zylinder angeordneten Mikrowellen-Messanordnung verbunden sind,
Figur 2
eine realitätsnahe Ausführung der in Figur 1 dargestellten elektronischen Komponenten, die auf der Platine angeordnet sind,
Figur 3
eine schematische Darstellung eines Phasen- und Amplitudenvergleichers als Bestandteil der in Figur 2 dargestellten Six-Port-Schaltung und
Figur 4
ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Verschiebung der Resonanzfrequenz, die mittels der Laufzeit-Messeinrichtung zur weiteren Auswertung erfasst wird.
An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it:
FIG. 1
a block diagram of an arranged on a board evaluation device with transit time measuring device and RF generator, which are connected to a microwave coupling probe arranged on a fluidic cylinder microwave measuring device,
FIG. 2
a realistic execution of the in FIG. 1 represented electronic components, which are arranged on the board,
FIG. 3
a schematic representation of a phase and amplitude comparator as part of in FIG. 2 illustrated six-port circuit and
FIG. 4
a signal diagram for explaining the shift of the resonance frequency, which is detected by means of the transit time measuring device for further evaluation.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf einer Platine 10 ein HF-Generator 11 (Hochfrequenz-Generator für Mikrowellen-Frequenzen), ein Oberwellenfilter 12, eine Laufzeit-Messeinrichtung 13, ein Richtkoppler 14, eine Six-Port-Schaltung 9 (Six-Port-Device) und ein Mikrocontroller 18 angeordnet, wobei die Six-Port-Schaltung 9 aus einem Phasen- und Amplitudenvergleicher 17, einer als Verzögerungsleiterbahn ausgebildeten Verzögerungseinrichtung 16 und einem weiteren Richtkoppler 15 besteht. In der schematischen Blockschaltung gemäß Figur 1 ist der Oberwellenfilter 12 zur Vereinfachung nicht dargestellt. Er dient zur Ausfilterung von Störsignalen, wobei in einer einfacheren Ausführung auch auf ihn verzichtet werden kann oder es werden andere Entstörmaßnahmen vorgesehen. Andererseits ist der Mikrocontroller 18 auf der als reale Ausführung dargestellten Platine 10 gemäß Figur 2 nicht zu erkennen. Er kann beispielsweise auf der Rückseite dieser Platine oder auch extern angeordnet sein.In the in the FIGS. 1 and 2 illustrated embodiment are on a board 10, an RF generator 11 (high-frequency generator for microwave frequencies), a harmonic filter 12, a transit time measuring device 13, a directional coupler 14, a six-port circuit 9 (six-port device) and a microcontroller 18, the six-port circuit 9 consisting of a phase and amplitude comparator 17, a delay line formed as a delay device 16 and a further directional coupler 15. In the schematic block circuit according to FIG. 1 the harmonic filter 12 is not shown for simplicity. It serves to filter out interfering signals, whereby in a simpler embodiment it can also be dispensed with or else other interference suppression measures are provided. On the other hand, the microcontroller 18 is on as real version shown board 10 according to FIG. 2 not recognizable. It can be arranged for example on the back of this board or externally.

Alle Leitungsverbindungen zwischen den Komponenten sind als Leiterbahnen ausgebildet. Der HF-Generator 11 ist mit der Laufzeit-Messeinrichtung 13 verbunden, die später noch näher erläutert werden soll. Ein Teil der HF-Signale wird über den ersten Richtkoppler 14 in eine zu einer als Antenne dienenden Mikrowellen-Koppelsonde 19 führenden Leitung eingekoppelt. Diese Leitung besitzt an einem Ende einen mit Masse verbundenen Abschlusswiderstand 20. Ein Teil der HF-Signale wird dann auf dem Weg zur Mikrowellen-Koppelsonde 19 mittels des zweiten Richtkopplers 15 ausgekoppelt und über die Verzögerungseinrichtung 16 dem Phasen- und Amplitudenvergleicher 17 zugeführt.All line connections between the components are designed as strip conductors. The HF generator 11 is connected to the transit time measuring device 13, which will be explained in more detail later. A portion of the RF signals is coupled via the first directional coupler 14 in a leading to serving as an antenna microwave coupling probe 19 line. This line has at one end a connected to ground terminating resistor 20. A portion of the RF signals is then decoupled on the way to the microwave coupling probe 19 by means of the second directional coupler 15 and fed via the delay means 16 to the phase and amplitude comparator 17.

Die Mikrowellen-Koppelsonde 19 ist an einem üblicherweise als Zylinderdeckel ausgebildeten Endbereich eines fluidischen Zylinders 21 angeordnet und ist dabei in diesem nicht näher dargestellten Zylinderdeckel integriert. Im Zylinder 21 ist ein mit einer Kolbenstange 22 versehener Kolben 23 verschiebbar geführt. Dabei kann es sich auch um einen kolbenstangenlosen Kolben handeln. Über die Mikrowellen-Koppelsonde 19 wird eine Mikrowellen-Hohlleiterwelle in den Innenraum des Zylinders 21 eingekoppelt, die am Kolben 23 reflektiert und von der Mikrowellen-Koppelsonde 19 wieder aufgenommen wird, die dann als Empfangsantenne dient. Diese Vorgänge sind im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben.The microwave coupling probe 19 is arranged on an end region of a fluidic cylinder 21, which is usually designed as a cylinder cover, and is integrated in this cylinder cover, not shown in detail. In the cylinder 21, a piston 23 provided with a piston 23 is slidably guided. It can also be a rodless piston. About the microwave coupling probe 19, a microwave waveguide wave is coupled into the interior of the cylinder 21, which is reflected on the piston 23 and resumed by the microwave coupling probe 19, which then serves as a receiving antenna. These processes are described in detail in the prior art mentioned above.

Die reflektierte und von der Mikrowellen-Koppelsonde 19 wieder erfasste Hohlwelle wird als HF-Signal wieder zurückgeführt und mittels des zweiten Richtkopplers 15 zum Teil ausgekoppelt und dem Phasen- und Amplitudenvergleicher 17 zugeführt. Dort findet ein Phasen- beziehungsweise Amplitudenvergleich zwischen den hinlaufenden und rücklaufenden HF-Signalen statt, wobei diese Messergebnisse als Maß für die Position des Kolbens 23 beziehungsweise dessen Geschwindigkeit oder Beschleunigung ausgewertet werden können. Die Messergebnisse werden daher dem Mikrocontroller 18 zugeführt. Die Auswertung der Phasendifferenz zur Positionsbestimmung des Kolbens 23 mittels eines Phasenvergleichers ist ebenfalls im eingangs angegebenen Stand der Technik näher beschrieben.The reflected and detected again by the microwave coupling probe 19 hollow shaft is returned as an RF signal again and partially coupled out by means of the second directional coupler 15 and fed to the phase and amplitude comparator 17. There is a phase or amplitude comparison between the running and returning RF signals instead, these measurements can be evaluated as a measure of the position of the piston 23 and its speed or acceleration. The measurement results are therefore supplied to the microcontroller 18. The evaluation of the phase difference for position determination of the piston 23 by means of a phase comparator is also described in detail in the prior art mentioned above.

Die zur Mikrowellen-Koppelsonde 19 führende Leitung beziehungsweise Leiterbahn ist an eine Kontaktfläche 24 angeschlossen, die in nicht näher dargestellter Weise über einen Stift oder Draht mit der Mikrowellen-Koppelsonde 19 verbunden ist. Diese Kontaktfläche 24 ist von einer Massefläche 25 umgeben, die mit dem metallischen Zylinder 21 verbunden ist.The leading to the microwave coupling probe 19 line or conductor is connected to a contact surface 24 which is connected in a manner not shown via a pin or wire to the microwave coupling probe 19. This contact surface 24 is surrounded by a ground surface 25 which is connected to the metallic cylinder 21.

Der zum Phasen- beziehungsweise Amplitudenvergleich dienende Phasen- und Amplitudenvergleicher 17 als Bestandteil der in Figur 2 dargestellten Six-Port-Schaltung 9 ist in Figur 3 schematisch und in Figur 2 in Form von Leiterbahnen dargestellt. Solche einen Phasen- und Amplitudenvergleicher enthaltende Six-Port-Schaltungen, die häufig auch als Six-Port-Devices in der Literatur bezeichnet werden, sind beispielsweise aus IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 45, No. 12, Seiten 2414-2417 , oder Vol. 47, No. 12, Seiten 2621-2624 , oder Vol. MTT-23, No. 12, Seiten 978-984 , oder Vol. MTT-25, No. 12, Seiten 1075-1083 , bekannt und dort in ihrer Funktion und Wirkungsweise, insbesondere bezüglich des Phasen- und Amplitudenvergleichs, näher beschrieben. Auf eine ausführliche Beschreibung der Wirkungsweise kann daher hier verzichtet werden.The phase and amplitude comparator 17, which serves for phase or amplitude comparison, is a component of in FIG. 2 illustrated six-port circuit 9 is in FIG. 3 schematically and in FIG. 2 represented in the form of printed conductors. Such six-port circuits containing a phase and amplitude comparator, which are often referred to as six-port devices in the literature, are for example out IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 12, pages 2414-2417 , or Vol. 47, no. 12, pages 2621-2624 , or Vol. MTT-23, no. 12, pages 978-984 , or Vol. MTT-25, no. 12, pages 1075-1083 , known and there in their function and mode of action, in particular with respect to the phase and amplitude comparison described in more detail. A detailed description of the mode of action can therefore be dispensed with here.

zur Messung des Reflexionsfaktors an der Mikrowellenkoppelsonde 19 beziehungsweise Antenne zur Erfassung der Phasenabweichung zwischen hinlaufender und rücklaufende welle werden Teile des vor- und rücklaufenden Signals additiv überlagert. Je nach Phase dieser Signale kommt es zu konstruktiver oder destruktiver Überlagerung, was zu entsprechenden Signalpegeln an den Ausgängen der Six-Port-Schaltung 9 führt. Diese Signalpegel werden mit Hilfe von Detektor-Schaltungen 26-29 gemessen. Diese unterschiedlich phasenverschobenen und dann überlagerten Signale werden den Detektor-Schaltungen 26-29 impedanzangepasst zugeführt. Durch diese Impedanzanpassung kann ein besserer Konversionsfaktor des Detektors erreicht werden, was sich positiv auf das Signal-zu-Rausch-Verhältnis auswirkt. Des Weiteren werden durch die Impedanzanpassung Reflexionen an den Detektor-Schaltungen 26-29 vermieden.for measuring the reflection factor at the microwave coupling probe 19 or antenna for detecting the phase deviation Between the incoming and the returning wave, parts of the forward and backward signals are additively superimposed. Depending on the phase of these signals, constructive or destructive superimposition occurs, which leads to corresponding signal levels at the outputs of the six-port circuit 9. These signal levels are measured by means of detector circuits 26-29. These differently phase shifted and then superimposed signals are applied to the detector circuits 26-29 impedance matched. By this impedance matching, a better conversion factor of the detector can be achieved, which has a positive effect on the signal-to-noise ratio. Furthermore, the impedance matching avoids reflections at the detector circuits 26-29.

Die im Ausführungsbeispiel verwendete Six-Port-Schaltung 9 besteht aus drei 90grad-Hybrid-Kopplern 30-32, einem Wilkinson-Teiler 33 und dem zweiten Richtkoppler 15. Jeder 90grad-Hybrid-Koppler 30-32 besteht im Wesentlichen aus vier ringartig zusammengesetzten Leiterbahnen, die jeweils eine Länge von im Wesentlichen λ/4 besitzen. Ein 90grad-Hybrid-Koppler 30-32 splittet ein Eingangssignal in zwei Ausgangssignale auf, die gleiche Amplituden besitzen, aber deren Phasen eine Differenz von 90 Grad aufweisen. Ein Teil der von der Mikrowellen-Koppelsonde 19 rücklaufenden Signale wird dabei über den Wilkinson-Teiler 33 eingespeist, und ein Teil der zur Mikrowellen-Koppelsonde 19 hinlaufenden Signale wird über den mittleren 90grad-Hybrid-Koppler 31 eingespeist. An dessen zweitem Eingang ist ein an Masse liegender widerstand 34 geschaltet. Die über den Wilkinson-Teiler 33 und den 90grad-Hybrid-Koppler 31 zugeführten, miteinander zu vergleichenden Signale werden dann zur additiven Überlagerung den beiden übrigen 90grad-Hybrid-Kopplern 30 und 32 zugeführt, an deren Ausgängen die Detektor-Schaltungen 26-29 angeschlossen sind. Die Überlagerung durch die 90grad-Hybrid-Koppler 30 und 32 erfolgt so, dass an ihren Ausgängen Teile der zur Koppelsonde 19 hin- und von dieser rücklaufenden Signale überlagert werden, diese Überlagerung an den unterschiedlichen Ausgängen der 90grad-Hybrid-Koppler 30 und 32 aber mit unterschiedlichen Phasendifferenzen erfolgt. Diese Phasendifferenzen sind vorzugsweise 0 Grad, 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad. Die Amplitude an den Ausgängen der 90grad-Hybrid-Koppler 30 und 32 wird im Wesentlichen durch die Phasendifferenz bestimmt, die zu konstruktiver oder destruktiver Überlagerung führt. Die als Pegel beziehungsweise Leistungsmesser dienenden Detektor-Schaltungen 26-29 führen dem Mikrocontroller 18 bei verschiedenen Frequenzen gemessene Pegelwerte zu, wobei dann vom Mikroprozessor durch einen Algorithmus auf die Kolbenposition beziehungsweise Kolbengeschwindigkeit geschlossen werden kann, indem zum Beispiel in einem Zwischenschritt die Phase des Reflexionsfaktors am Antenne-Zylinder-System berechnet wird. Eine unmittelbare Phasenmessung, wie sie zum Beispiel bei bekannten Mischern erfolgt, ist nicht mehr erforderlich. Verstärkerbausteine können entfallen. Die Six-Port-Schaltung ist ein im Wesentlichen lineares Element, welches im Gegensatz zum Mischer pegelunabhängig arbeitet. Die Schaltungselemente bei dem Prinzip der Six-Port-Schaltung lassen sich HF-technisch einfacher reflexionsarm anpassen, was zu einer besseren Signalqualität führt. Durch die einfache Ausführung in Leiterbahntechnologie sind weniger hohe Anforderungen an die Leiterplattentechnologie gestellt, und eine preiswertere Realisierung ist möglich.The six-port circuit 9 used in the exemplary embodiment consists of three 90-degree hybrid couplers 30-32, a Wilkinson divider 33 and the second directional coupler 15. Each 90-degree hybrid coupler 30-32 consists essentially of four ring-like interconnects each having a length of substantially λ / 4. A 90 degree hybrid coupler 30-32 splits an input signal into two output signals having equal amplitudes but whose phases have a 90 degree difference. A portion of the returning from the microwave coupling probe 19 signals is thereby fed via the Wilkinson divider 33, and a portion of the leading to the microwave coupling probe 19 signals is fed via the average 90grad hybrid coupler 31. At the second input of a grounded resistance 34 is connected. The signals to be compared with one another via the Wilkinson divider 33 and the 90-degree hybrid coupler 31 are then supplied to the two remaining 90-degree hybrid couplers 30 and 32 for additive superimposition, to whose outputs the detector circuits 26-29 are connected are. The superposition by the 90-degree hybrid couplers 30 and 32 is done so that at their outputs parts of the coupling probe 19 back and are superimposed by this returning signals, this superimposition takes place at the different outputs of the 90-degree hybrid coupler 30 and 32 but with different phase differences. These phase differences are preferably 0 degrees, 90 degrees, 180 degrees and 270 degrees. The amplitude at the outputs of the 90 degree hybrid couplers 30 and 32 is essentially determined by the phase difference resulting in constructive or destructive interference. The serving as a level or power detector detector circuits 26-29 lead to the microcontroller 18 at different frequencies measured levels, in which case the microprocessor can be closed by an algorithm on the piston position or piston speed, for example, in an intermediate step, the phase of the reflection factor on Antenna Cylinder System is calculated. An immediate phase measurement, as it takes place for example in known mixers, is no longer necessary. Amplifier modules can be omitted. The six-port circuit is a substantially linear element, which operates level-independent in contrast to the mixer. The circuit elements in the principle of the six-port circuit can be adapted to RF technically easier reflection, which leads to a better signal quality. Due to the simple design in printed circuit board technology, less stringent requirements are placed on printed circuit board technology, and a cheaper realization is possible.

Auch ein Phasen- und Amplitudenvergleicher, der alternativ zu einer Six-Port-Schaltung mit Hilfe von Halbleiterdioden und Leitungsstrukturen auf einer Leiterplatte aufgebaut ist, ändert sein Messergebnis in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt der Leiterplatte. Allerdings sind bei einem solchen die Messfehler numerisch deutlich schwieriger zu bewältigen, da die Reflexionsfaktoren solcher Halbleiter-Mischer von der Oszillatoramplitude abhängen und Mischprodukte bei unterschiedlichsten Frequenzen entstehen, die sich wiederum feuchteabhängig unterschiedlich ausbreiten und mehrfach reflektiert rückwirken und dadurch zusätzlich das Messergebnis beeinflussen können.A phase and amplitude comparator, which is constructed on a printed circuit board as an alternative to a six-port circuit with the aid of semiconductor diodes and line structures, also changes its measurement result as a function of the moisture content of the printed circuit board. However, in such a case, the measurement errors numerically much more difficult to handle, since the reflection factors of such semiconductor mixer of the oscillator amplitude Depending on the humidity and depending on the different frequencies, the products may spread differently and react with multiple reflections, thereby additionally influencing the measurement result.

Beim Six-Port-Reflektometer bzw. bei der Six-Port-Schaltung entstehen infolge der Linearität keine zusätzlichen Frequenzen, die bei der Kompensation berücksichtigt werden müssten. Die Reflexionsfaktoren sind im Gegensatz zu einem Halbleitermischer über verschiedene Amplitudenwerte konstant, d.h. bei der Kompensation muss der Oszillatorausgangspegel nicht berücksichtigt werden.With the six-port reflectometer or with the six-port circuit, there are no additional frequencies due to the linearity, which would have to be taken into account in the compensation. The reflection factors are constant over different amplitude values, unlike a semiconductor mixer, i. Compensation does not need to take into account the oscillator output level.

Da die hinlaufenden Signale und die rücklaufenden Signale bis zur Six-Port-Schaltung 9 über unterschiedlich lange Leiterbahnen geführt werden müssen, wird die Verzögerungseinrichtung 16 als Kompensationseinrichtung in die Zuleitung des hinführenden Signals zum Phasen- und Amplitudenvergleicher 17 geschaltet, um bei eventuellen Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften einen Laufzeitausgleich zu erreichen. Wird das dielektrische Verhalten der Leitung nämlich durch Feuchtigkeit verändert, so ändert sich die Laufzeit dieser Leitung. In der Folge sieht der Phasen- und Amplitudenvergleicher einen anderen Phasenwinkel des Reflexionsfaktors. Die Verzögerungseinrichtung 16 ist den gleichen Feuchtigkeitseinflüssen ausgesetzt wie die Leitung zwischen Richtkoppler und Mikrowellen-Koppelsonde, das heißt, die Ausbreitungsgeschwindigkeit auf dieser Leitung ändert sich in gleicher Weise wie diejenige auf der Leitung zwischen der Mikrowellen-Koppelsonde 19 und dem Richtkoppler 15. Dabei laufen die Signale jeweils zweimal über die Leitung zwischen Richtkoppler 15 und Mikrowellen-Koppelsonde 19, nämlich hin und zurück. Durch geeignet gewählte Länge der verzögerungseinrichtung 16 beziehungsweise Verzögerungsleitung kann erreicht werden, dass sich die Feuchtigkeitseinflüsse aufheben.Since the running signals and the returning signals to the six-port circuit 9 must be performed over different lengths of interconnects, the delay device 16 is connected as a compensation device in the supply of the leading signal to the phase and amplitude comparator 17, in case of changes in the dielectric Properties to achieve a runtime compensation. If the dielectric behavior of the line is changed by moisture, the duration of this line changes. As a result, the phase and amplitude comparator sees a different phase angle of the reflection factor. The delay device 16 is exposed to the same humidity influences as the line between the directional coupler and microwave coupling probe, that is, the propagation speed on this line changes in the same manner as that on the line between the microwave coupling probe 19 and the directional coupler 15 Signals in each case twice over the line between directional coupler 15 and microwave coupling probe 19, namely back and forth. By suitably selected length of the delay device 16 or delay line can be achieved that cancel the effects of moisture.

Diese Feuchtigkeitskompensation durch die Verzögerungseinrichtung 16 hat jedoch ihre Grenzen. Es kann zwar erreicht werden, dass punktuell die Feuchtigkeitskompensation gelingt beziehungsweise im Mittel gelingt, jedoch kann aufgrund der Unvollkommenheit der Leitungsschaltungen, wie sie auch im Phasen- und Amplitudenvergleicher 17 beziehungsweise der Six-Port-Schaltung 9 verwendet werden, nicht für alle möglichen zu messenden Reflexionsfaktoren eine ideale Kompensation erreicht werden, das heißt, die verzögerungseinrichtung 16 kann nur eine Grobkompensation darstellen. Die verbleibenden Feuchtigkeitsabhängigkeiten und Abhängigkeiten von Veränderungen der Geometrie sind zu kompliziert, als dass sie durch einfache Schaltungsmaßnahmen korrigiert werden können. Hierzu muss der Mikrocontroller jedoch eine Information über das gegenwärtige Laufzeitverhalten der Leiterbahnen besitzen. Diese bekommt er über die Laufzeit-Messeinrichtung 13.However, this moisture compensation by the delay 16 has its limits. Although it can be achieved that occasionally the moisture compensation succeeds or succeeds on average, but can not be used for all possible due to the imperfection of the line circuits, as used in the phase and amplitude comparator 17 and the six-port circuit 9 Reflection factors an ideal compensation can be achieved, that is, the delay means 16 can only represent a coarse compensation. The remaining moisture dependencies and dependencies of geometry changes are too complicated to be corrected by simple circuit measures. For this purpose, however, the microcontroller must have information about the current runtime behavior of the printed conductors. He gets this via the transit time measuring device 13.

Die vom HF-Generator 11 in die Laufzeit-Messeinrichtung 13 eingespeisten HF-Signale werden über einen ersten Richt-koppler 35 zum Teil in eine Messleitung 36 eingespeist und von dieser über einen weiteren Richtkoppler 37 wieder zum Teil ausgekoppelt und durch eine als Pegelmesseinrichtung dienende Detektor-Schaltung 38 erfasst. Die Messleitung 36 besitzt eine Länge von λ/2. Der HF-Generator 11 kann durch den Mikrocontroller 18 gesteuert unterschiedliche Ausgangsfrequenzen erzeugen. Gemäß Figur 4 werden nacheinander unterschiedliche, stufenweise sich verändernde Messfrequenzen der Laufzeit-Messeinrichtung 13 zugeführt. Bei einer Frequenz mit der Wellenlänge λ wird resonanzbedingt der größte Pegel UR übertragen, wobei die Resonanzfrequenz die Frequenz f2R ist. Verändert sich die Messleitung 16 beispielsweise durch Feuchtigkeitseinflüsse, so verschiebt sich die Resonanzfrequenz beispielsweise zur Frequenz f1R hin. Die Verschiebung der Resonanzfrequenz ist ein Maß für Veränderungen in der Laufzeit, wobei die Auswertung im Mikrocontroller 18 erfolgt. Diese Information wird dann zur Kompensation von entsprechenden Laufzeitveränderungen in den übrigen Leitungen herangezogen und berechnet. An die zur Laufzeit-Messeinrichtung 13 hinführende Leitung ist direkt eine weitere Detektor-Schaltung 39 angeschlossen, die ebenfalls mit dem Mikrocontroller 18 verbunden ist. Durch Pegelvergleich der beiden Detektor-Schaltungen 38, 39 lässt sich eine noch genauere Kompensation für die Laufzeit berechnen.The HF signals fed into the transit time measuring device 13 by the HF generator 11 are fed in part via a first directional coupler 35 into a measuring line 36 and partially decoupled from the latter via a further directional coupler 37 and by a detector serving as a level measuring device Circuit 38 detected. The measuring line 36 has a length of λ / 2. The HF generator 11 can generate different output frequencies controlled by the microcontroller 18. According to FIG. 4 successively different, gradually changing measuring frequencies of the transit time measuring device 13 are supplied. At a frequency with the wavelength λ, the highest level U R is transmitted as a result of the resonance, the resonance frequency being the frequency f 2 R. If the measuring line 16 changes, for example, as a result of the influence of moisture, then the resonance frequency shifts toward the frequency f1 R , for example. The shift of the resonant frequency is a measure of changes in the transit time, with the evaluation in the microcontroller 18 takes place. This information is then used to compensate for corresponding propagation time changes in the other lines and calculated. A further detector circuit 39, which is likewise connected to the microcontroller 18, is connected directly to the line leading to the transit time measuring device 13. By level comparison of the two detector circuits 38, 39 can be calculated even more accurate compensation for the duration.

Anstelle von Richtkopplern können prinzipiell auch andere Koppler zum Auskoppeln von Teilen des jeweiligen Signals treten, wie zum Beispiel Lange-Koppler, Rat-Race-Koppler und Wilkinson-Teiler. Weiterhin kann die konstruktive Ausgestaltung der Six-Port-Schaltung auch vom Ausführungsbeispiel abweichen und beispielsweise gemäß dem angegebenen Stand der Technik ausgeführt sein.In principle, instead of directional couplers, other couplers can also be used for decoupling parts of the respective signal, such as Lange couplers, Rat Race couplers and Wilkinson dividers. Furthermore, the structural design of the six-port circuit may also differ from the embodiment and be executed, for example, according to the specified prior art.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung neben dem fluidischen Zylinder mit einer Mikrowellen-Messanordnung zur Erfassung wenigstens eines Parameters somit auch ein Verfahren zur Erfassung wenigstens eines Parameters in einem fluidischen Zylinder mit Hilfe einer Mikrowellen-Messanordnung, die eine Mikrowellen-Koppelsonde (19) in oder an einem Zylinderdeckel des Zylinders (21) aufweist zur Einkopplung einer Hohlleiterwelle in den angrenzenden zylinderraum und zur Auskopplung und Erfassung der von einem Kolben (23) im Zylinder (21) reflektierten Hohlleiterwelle, wobei die Mikrowellen-xoppelsonde (19) durch einen HF-Generator (11) mit HF-Signalen versorgt wird und der wenigstens eine Parameter durch Vergleich der der Mikrowellen-Koppelsonde (19) zugeleiteten hinlaufenden HF-Signale mit den aus der reflektierten Hohlleiterwelle erzeugten rücklaufenden HF-Signalen mittels einer Auswerteeinrichtung erfasst wird, wobei Teile der vorlaufenden und rücklaufenden HF-Signale mit Hilfe wenigstens eines Koppelglieds (15) ausgekoppelt werden und ein Phasen- und Amplitudenvergleich durch additive Überlagerung der ausgekoppelten Teile der vorlaufenden und rücklaufenden HF-Signale mit anschließender Pegelmessung erfolgt, und dass aus den erfassten Pegelwerten die Parameter abgeleitet werden.In summary, in addition to the fluidic cylinder with a microwave measuring arrangement for detecting at least one parameter, the invention thus also relates to a method for detecting at least one parameter in a fluidic cylinder with the aid of a microwave measuring arrangement comprising a microwave coupling probe (19) in or on one Cylinder cover of the cylinder (21) for coupling a waveguide shaft in the adjacent cylinder space and for coupling and detection of a piston (23) in the cylinder (21) reflected waveguide wave, the microwave xoppelsonde (19) by an RF generator (11 ) is supplied with RF signals and the at least one parameter is detected by comparing the microwave coupling probe (19) forwarded outgoing RF signals with the generated from the reflected waveguide wave return RF signals by means of an evaluation, wherein parts of the leading and returning RF signals using at least e Ines coupling element (15) are coupled out and a phase and amplitude comparison by additive superimposition of the decoupled parts of the leading and returning RF signals with subsequent level measurement is carried out, and that the parameters are derived from the detected level values.

Claims (15)

Fluidischer Zylinder mit einer Mikrowellen-Messanordnung zur Erfassung wenigstens eines Parameters, die eine Mikro-wellen-Koppelsonde (19) in oder an einem Zylinderdeckel des Zylinders (21) aufweist zur Einkopplung einer Hohlleiterwelle in den angrenzenden Zylinderraum und zur Auskopplung und Erfassung der von einem Kolben (23) im Zylinder (21) reflektierten Hohlleiterwelle, mit einem HF-Generator (11) zur Versorgung der Mikrowellen-Koppelsonde (19) mit HF-Signalen und mit einer Auswerteeinrichtung zur Erfassung des wenigstens einen Parameters durch Vergleich der der Mikrowellen-Koppel-sonde (19) zugeleiteten hinlaufenden HF-Signale mit den aus der reflektierten Hohlleiterwelle erzeugten rücklaufenden HF-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Auswerteeinrichtung und die als Leiterbahnen ausgebildeten HF-Leitungen von und zu der Auswerteeinrichtung auf einer Platine (10) angeordnet sind, und dass auf dieser Platine (10) eine Laufzeit-Messeinrichtung (13) zur Erfassung der Platinen-Feuchtigkeit und/oder Ausbreitungsgeschwindigkeit der HF-Signale angeordnet ist, wobei die Auswerteeinrichtung zur Korrektur des wenigstens einen erfassten Parameters in Abhängigkeit der Signale der Laufzeit-Messeinrichtung (13) ausgebildet ist.A fluidic cylinder having a microwave measuring arrangement for detecting at least one parameter comprising a micro-wave coupling probe (19) in or on a cylinder cover of the cylinder (21) for coupling a waveguide shaft in the adjacent cylinder space and for coupling and detection of a Piston (23) in the cylinder (21) reflected waveguide wave, with an RF generator (11) for supplying the microwave coupling probe (19) with RF signals and with an evaluation device for detecting the at least one parameter by comparing the microwave coupling probe (19) forwarded outgoing RF signals with the generated from the reflected waveguide wave return RF signals, characterized in that at least a part of the evaluation device and the conductor tracks formed as HF lines from and to the evaluation device on a board (10) are arranged, and that on this board (10) has a transit time measuring device (13) for Erf Assignment of the board moisture and / or propagation speed of the RF signals is arranged, wherein the evaluation device is designed to correct the at least one detected parameter in dependence of the signals of the transit time measuring device (13). Fluidischer Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung einen Phasen- und Amplitudenvergleicher (17) und einen damit verbundenen Mikrocontroller (18) aufweist.Fluidic cylinder according to claim 1, characterized in that the evaluation device comprises a phase and amplitude comparator (17) and a microcontroller (18) connected thereto. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasen- und Amplitudenvergleicher (17) Mittel zur additiven Überlagerung von Teilen der vorlaufenden und rücklaufenden HF-Signale und Mittel zur Pegelmessung der überlagerten Signale aufweist.Fluidic cylinder according to claim 2, characterized in that the phase and amplitude comparator (17) comprises means for the additive superimposition of parts of the leading and returning RF signals and means for measuring the level of the superimposed signals. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der Platine angeordnete Phasen- und Amplitudenvergleicher (17) durch Leiterbahnenelemente gebildet wird und insbesondere als Six-Port-Schaltung (Six-Port-Device) ausgebildet ist.Fluidic cylinder according to claim 2 or 3, characterized in that the arranged on the board phase and amplitude comparator (17) is formed by conductor track elements and in particular as a six-port circuit (six-port device) is formed. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als Six-Port-Schaltung (9) ausgebildete Phasen- und Amplitudenvergleicher (17) wenigstens drei 90grad-Hybrid-Koppler (30-32) und einen Wilkinson-Teiler (33) aufweist, wobei Leistungs- und/oder Pegelmesseinrichtungen (26-29) für dadurch gebildete, um jeweils 90° versetzte und überlagerte Signale der zur Koppelsonde (19) hinlaufenden und von dieser rücklaufenden HF-Signale vorgesehen sind, die mit dem Mikrocontroller (18) zur Auswertung verbunden sind.A fluidic cylinder according to claim 4, characterized in that the six-port circuit (9) formed phase and amplitude comparator (17) has at least three 90-degree hybrid coupler (30-32) and a Wilkinson divider (33), wherein power and / or level measuring means (26-29) are provided for thereby formed by 90 ° offset and superimposed signals of the coupling probe (19) running back and from this returning RF signals with the microcontroller (18) for evaluation are connected. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 90grad-Hybrid-Koppler (30-32) aus jeweils vier ringförmig aneinandergeschalteten Leiterbahnstücken bestehen, die jeweils eine Länge von im Wesentlichen λ/4 aufweisen.A fluidic cylinder according to claim 5, characterized in that the 90-degree hybrid coupler (30-32) are each four annularly connected to one another conductor track pieces of which each have a length of substantially λ / 4. Fluidischer Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zur Mikrowellen-Koppelsonde (19) führenden Leiterbahn für die HF-Signale ein Koppelglied (15) zur Auskopplung und/oder additiven Überlagerung eines Teils der hinlaufenden und eines Teils der von der Mikrowellen-Koppelsonde (19) rücklaufenden HF-Signale angeordnet ist.Fluidic cylinder according to one of the preceding claims, characterized in that in the microwave coupling probe (19) leading conductor for the RF signals, a coupling member (15) for decoupling and / or additive superposition of a part of the trailing and a part of the Microwave coupling probe (19) returning RF signals is arranged. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied (15) als Richtkoppler, Lange-Koppler, Wilkinson-Teiler, 90grad-Hybrid-Koppler und/oder Ra-Race-Koppler ausgebildet ist oder wenigstens einen derselben aufweist.Fluidic cylinder according to claim 7, characterized in that the coupling member (15) as a directional coupler, Lange coupler, Wilkinson divider, 90grad hybrid coupler and / or Ra-race coupler is formed or at least one of them. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer der beiden das Koppelglied (15) mit dem Phasen- und Amplitudenvergleicher (17) verbindenden Leiterbahnen eine ebenfalls als Leiterbahn ausgebildete Verzögerungseinrichtung (16) zum Ausgleich der Länge der Leiterbahn zwischen Dem Koppelglied (15) und der Koppelsonde (19) angeordnet ist.Fluidic cylinder according to claim 7 or 8, characterized in that in one of the two the coupling member (15) with the phase and amplitude comparator (17) interconnects interconnects also designed as a conductor delay device (16) to compensate for the length of the interconnect between the coupling member (15) and the coupling probe (19) is arranged. Fluidischer Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit-Messeinrichtung (13) im Wesentlichen aus Leiterbahnstücken besteht.Fluidic cylinder according to one of the preceding claims, characterized in that the transit time measuring device (13) consists essentially of conductor track pieces. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit-Messeinrichtung (13) aus einem Mess-Leiterbahnstück (36) beseht, das eine insbesondere mit dem HF-Generator (11) verbundene Einkopplungseinrichtung (35) und eine Auskopplungseinrichtung (37) aufweist, die mit einer Pegel-Messeinrichtung (38) verbunden ist, wobei das Mess-Leiterbahnstück (36) vorzugsweise eine Länge von im Wesentlichen λ/2 oder vielfachen von λ/4 aufweist.Fluidic cylinder according to claim 10, characterized in that the transit time measuring device (13) comprises a measuring strip conductor piece (36) which has a coupling device (35) connected in particular to the HF generator (11) and a coupling device (37) coupled to a level measuring device (38), the measuring strip (36) preferably having a length of substantially λ / 2 or multiples of λ / 4. Fluidischer Zylinder nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanz-Messeinrichtung (38) eine mit dem Mikrocontroller (18) verbundene Pegelmesseinrichtung aufweist, wobei der Mikrocontroller (18) Mittel zur stufenweisen Frequenzveränderung des HF-Generators zur Erfassung der jeweiligen Resonanzfrequenz besitzt.Fluidic cylinder according to claim 10 or 11, characterized in that the resonance measuring device (38) has a with the microcontroller (18) connected level measuring device, wherein the microcontroller (18) has means for stepwise frequency variation of the RF generator for detecting the respective resonance frequency , Fluidischer Zylinder nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Mikrocontroller (18) verbundene weitere Pegel- und/oder Resonanzmesseinrichtung (39) zur Erfassung der in die Laufzeit-Messeinrichtung (13) eingespeisten HF-Leistung vorgesehen ist.Fluidic cylinder according to one of claims 10 to 12, characterized in that a further level and / or resonance measuring device (39) connected to the microcontroller (18) is provided for detecting the RF power fed into the transit time measuring device (13). Fluidischer Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den HF-Generator (11) mit der Laufzeit-Messeinrichtung (13) verbindende Leiterbahn einen Richtkoppler (14) oder ein anderes Koppelglied zur Auskopplung von zur Mikrowellen-Koppelsonde (19) geführten HF-Signalen aufweist.Fluidic cylinder according to one of the preceding claims, characterized in that a conductor connecting the RF generator (11) with the transit time measuring device (13) has a directional coupler (14) or another coupling link for coupling to the microwave coupling probe (19) Has RF signals. Fluidischer Zylinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale des HF-Generators (11) über ein Oberwellen-Filter (12) geführt sind.Fluidic cylinder according to one of the preceding claims, characterized in that the output signals of the HF generator (11) via a harmonic filter (12) are guided.
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